&bala; Física 18, 146
Pares de skyrmions-pequenos redemoinhos que emergem em alguns materiais magnéticos-podem ser capazes de se autoproprar, um comportamento que lembra o de sistemas de matéria ativa, como bactérias móveis.
Na natureza, o movimento coletivo de pássaros e peixes pode gerar dinâmica impressionante e estruturas únicas, como visto em bandos de estorninhos e cardumes de sardinha. A ciência da matéria ativa estuda comportamentos complexos em uma ampla gama de escalas e origens (1), e atraiu um interesse crescente nas últimas três décadas. A matéria ativa abrange não apenas os seres vivos, mas também objetos inanimados. Exemplos incluem colóides ativos (2) e cristais líquidos ativos (3) que são capazes de se autoproprar-isto é, mover-se por si mesmos alimentados por fontes de energia internas. Agora, Clécio de Souza Silva e colegas da Universidade Federal de Pernambuco, no Brasil, sugeriram uma adição intrigante ao catálogo de matéria ativa: pares acoplados de Skyrmions, arranjos de rotação do tipo Whirlpool que emergem em certos materiais magnéticos. Seu trabalho teórico mostra que esses pares de Skyrmion podem se mover em velocidades que excedam as observadas em qualquer sistema de matéria ativa (4). O comportamento pode incentivar dispositivos de computação não convencionais e bioinspirados com base na manipulação do Skyrmion. Por exemplo, um filme magnético com muitos skyrmions autopropulsores pode servir como um reservatório dinâmico para a computação do reservatório.
A dinâmica coletiva da matéria ativa é governada pelo movimento de cada entidade particular person, pelas interações entre todas as entidades e por suas interações com o meio ambiente. Uma classe importante de matéria ativa envolve sistemas quirais- aqueles com a esquerda ou a destra- que podem exibir dinâmica translacional e rotacional (5). Esse comportamento pode levar a fenômenos não triviais que podem ser úteis para aplicações práticas. Por exemplo, algumas partículas autopropulsadas podem exibir movimento round e quiral, um comportamento que pode permitir a seleção de partículas com quiralidade específica com base em sua dinâmica (6). Exemplos de matéria ativa quiral incluem células espermáticas, bactérias e cristais líquidos. Pode -se esperar que comportamentos semelhantes possam ser descobertos nas quasipartículas quirais que se movem em materiais magnéticos, mas faltam pesquisas sobre o assunto.
Em filmes magnéticos e multicamadas, uma concorrência delicada entre diferentes tipos de interações eletromagnéticas e quânticas pode dar origem a texturas de rotação quiral localizada que carregam cargas topológicas inteiras (7). O Skyrmion quiral é um exemplo paradigmático dessas texturas (8). Um skyrmion quiral em nanoescala é feito de um pequeno número de giros que formam uma parede round de domínio quiral. Esse objeto pode ser considerado uma partícula rígida que pode ser levada ao movimento de tradução por uma força motriz externa (9). Uma característica dinâmica distinta dos Skyrmions quirais é o chamado movimento do Corridor, que é induzido por correntes elétricas e pode levar ao acúmulo de Skyrmions nas bordas de um dispositivo. Outros comportamentos característicos dos Skyrmions quirais incluem movimento balístico, oscilações de modo respiratório e a capacidade de difundir termicamente. Em todos esses casos, os Skyrmions quirais são considerados quasipartículas passivas, cuja dinâmica é impulsionada por forças ou gradientes externos. Mas eles podem se mover sozinhos?
Através de simulações computacionais, de Souza Silva e colegas indicam que isso é realmente uma possibilidade: um par de esquiques quirais em uma bicamada antiferromagnética sintética pode funcionar como matéria quiral autopropulsada (FIG. 1). Os pesquisadores consideram uma estrutura de bicamada compreendendo duas camadas ferromagnéticas quirais acopladas a troca com quiralidade e magnetização opostas (juntos, eles se comportam como um antiferromagnet). Em tal estrutura, os Skyrmions em uma camada ferromagnética são imagens espelhadas daquelas na outra camada, e dois Skyrmions podem formar um par limitado mantido unido por um vínculo.
Os pesquisadores acham que o movimento autônomo dos pares de Skyrmion pode ser impulsionado pela energia interna que os Skyrmions possuem quando imersos em um campo elétrico ou magnético alternado. Eles mostram que um campo elétrico ou magnético alternado pode excitar modos de respiração simétrica e antissimétrica do par Skyrmion. Ambos os modos de respiração modulam a ligação Skyrmion -Skyrmion, o que significa que o comprimento da ligação pode variar dinamicamente. Essa modulação cria um “derrame” que permite que os Skyrmions “nadarem”. Esse movimento resulta na autopropulsão do par de Skyrmion ligado, que pode atingir velocidades de até cem milhões de comprimentos corporais por segundo. Como o desvio líquido é governado por variações não recíprocas na configuração interna do par de Skyrmion, e a unidade externa apenas alimenta essas dinâmicas internas, o movimento pode ser considerado autopropulsão.
APS/Carin Cain
Os pesquisadores também estudam o efeito do fraco ruído térmico no movimento Skyrmion. Eles acham que as flutuações barulhentas podem desencadear um padrão “correr e reverso”, no qual um par de Skyrmion em movimento interrompe e reverte temporariamente a direção. Enquanto a autopropulsão surge devido à dinâmica da ligação oscilatória, as reorientações espontâneas aleatórias da ligação que causam uma inversão de direção são induzidas pelo ruído térmico. O movimento de corrida e reverso é um comportamento característico de bactérias móveis que exploram ambientes complexos. Essa semelhança estabelece uma conexão intrigante entre bactérias móveis e outras partículas ativas brownianas, por um lado, e os skyrmions quirais e as partículas ativas quirais, por outro. A ponte de conceitos de matéria ativa e spintronics, os resultados provavelmente motivarão novos estudos de quasipartículas autopropulsoras ou defeitos magnéticos. Esses estudos podem abordar a possibilidade de várias estratégias de navegação – de execução e reversão para correr e cair (Fig. 2)-que permitem que objetos semelhantes a partículas aproveitem o ruído para explorar o ambiente.
Os pesquisadores também podem ser inspirados a investigar outros comportamentos complexos e fascinantes que aparecem na presença de interações mais complexas, como auto-montagem e formação de padrões. Uma chave para esses estudos considerará as interações entre um grande número de skyrmions autopropulsados, bem como as interações entre os Skyrmions e superfícies estruturadas ou interfaces. Os efeitos de um substrato artificialmente modificado podem ser particularmente ricos. Um estudo recente, por exemplo, indicou que a interação de skyrmions quirais submetidos a movimentos brownianos com obstáculos quietos de flores pode levar à possibilidade de classificar os Skyrmions pela topologia (10). Outra característica interessante dos Skyrmions é a vida útil de sua motilidade, que, dependendo da temperatura e do materials magnético usado, pode variar de alguns dias a anos. Em partículas ativas e sistemas biológicos com potência quimicamente, em contraste, a atividade de partículas normalmente possui uma decaimento temporal mais curto, limitado pelo depleção de produtos químicos ou nutrientes. Os sistemas ativos de skyrmion ativos e de longa duração podem, portanto, oferecer sistemas ideais para a produção de comportamentos coletivos emergentes de longo prazo em experimentos de matéria ativa.
A recente atenção aos Skyrmions quirais tem sido amplamente impulsionada por seu grande potencial para ser usado como portadores de informações não voláteis e bits quânticos em dispositivos spintrônicos. Acreditamos, no entanto, que outras facetas misteriosas de skyrmions quirais e outras quase quase sistemas em diferentes sistemas ainda precisam ser descobertas, como sugere o trabalho de De Sousa Silva e colegas.
Referências
- C. Bechinger et al.“Partículas ativas em ambientes complexos e lotados”. Rev. Mod. Phys. 88045006 (2016).
- A. Zöttl e H. Stark, “Comportamento emergente em colóides ativos”. J. Phys.: Condens. Matéria 28253001 (2016).
- R. Zhang et al.“Sistemas de materiais autônomos de cristais líquidos ativos”. Nat. Rev. Mater. 6437 (2021).
- CC de Souza Silva et al.“Autopropulsão emergente da matéria skyrmiônica em antiferromagnets sintéticos”. Phys. Rev. Lett. 135086701 (2025).
- B. Liebchen e D. Levis, “matéria ativa quiral”. Europhys. Lett. 13967001 (2022).
- M. Mijalkov e G. Volpe, “Classificação de micro -merários quirais”. Matéria suave 96376 (2013).
- W. Jiang et al.“Skyrmions em multicamadas magnéticas”. Phys. Rep. 7041 (2017).
- Um Bogdanov e C. Panagopoulos, “Fundamentos físicos e propriedades básicas de Skyrmions magnéticos”. Nat. Rev. Phys. 2492 (2020).
- C. Reichhardt et al.“Estática e dinâmica de Skyrmions interagindo com desordem e nanoestruturas”. Rev. Mod. Phys. 94035005 (2022).
- X. Zhang et al.“Skyrmions quirais interagindo com flores quirais”. Nano Lett. 2311793 (2023).
